采用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)氣體微流量測量系統(tǒng)的設(shè)計

（文章來源：航空計測技術(shù)，作者：成永軍；馮焱；趙定眾；張滌新）

在真空技術(shù)應(yīng)用中，氣體微流量由氣體微流量計測量。精確測量氣體微流量（或漏率）具有十分重要的意義。例如，為了保持飛船艙內(nèi)的壓力長期工作正常，需要對艙體進行檢漏，檢漏時不但要找到漏孔位置，還要精確測量微小的漏率，這對于長期在空間飛行的載人飛船尤為重要；火箭燃料是易燃、易爆、有毒的氣體或液體，微小的泄漏具有很大的危險性，要對火箭燃料的加注過程和發(fā)射陣地進行安全檢測；在電子工業(yè)中的半導(dǎo)體元件、集成電路、計算機芯片的生產(chǎn)工藝中，要求精確控制氣體微流量的注入，以保證工藝質(zhì)量和產(chǎn)品性能的穩(wěn)定。為了滿足以上需求，研制測量精度和可靠性更高、測量范圍更寬、測量界面直觀、自動化程度高的氣體微流量計是非常必要的。利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的氣體微流量測量虛擬儀器系統(tǒng)就是為了實現(xiàn)上述目標(biāo)而進行的研究探索。

實現(xiàn)氣體微流量測量的虛擬儀器系統(tǒng)的建立

氣體微流量的測量原理

氣體微流量的測量原理是：當(dāng)氣體流出其變?nèi)菔視r，伺服電機通過平動機構(gòu)驅(qū)動活塞在油室中水平運動，活塞運動會改變其在油室中的體積，而液壓油的體積是基本不變的，這樣波紋管就受到力的作用而發(fā)生形變，使其內(nèi)的氣體壓力保持恒定，氣體在Tr溫度（Tr一般取23℃）下的流量Q通過測量變?nèi)菔覂?nèi)氣體的壓力p、溫度T和體積變化率dV/dt后由公式（1）計算得到。

由式（1）可知，測量流量時，不但要準(zhǔn)確地測量出變?nèi)菔覂?nèi)氣體的壓力、體積變化率和溫度，還要在測量過程中控制變?nèi)菔覂?nèi)氣體的壓力，使其恒定。

虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)

硬件及功能描述：

本著“提高測量精度和自動化程度，減小測量不確定度”的原則，設(shè)計了一套以工控機為中心的測量與控制系統(tǒng)，選用了精度較高的測量工具，并用多塊數(shù)據(jù)采集卡把各測量工具與控制器件聯(lián)系在一起，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集和恒壓自動調(diào)節(jié)功能。硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)氣體微流量測量系統(tǒng)的設(shè)計

圖1　硬件總體結(jié)構(gòu)圖

采用3個Pt100鉑電阻溫度傳感器、3個ADAM3013熱電阻變送模塊及1塊PCI-1716多功能數(shù)據(jù)采集卡可實現(xiàn)對變?nèi)菔?、參考室及實驗室溫度同時進行采集。溫度的測量范圍為0～100℃，精度為0.1℃。

采用美國MKS公司生產(chǎn)的一套差壓式電容薄膜規(guī)（包括三個規(guī)頭、一個控制單元MKS274和一個數(shù)據(jù)顯示單元MKS670，MKS670上有一個488接口，計算機通過IEEE488數(shù)據(jù)采集卡進行量程和規(guī)頭選擇）、美國NI公司生產(chǎn)的IEEE488數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)氣體壓力的測量。壓力的測量范圍為0～1.01×105Pa。

利用臺灣凌華公司生產(chǎn)的運動控制卡PCI-8132、伺服控制卡和位置控制卡、平動機構(gòu)（主要包括選用北京微電機總廠生產(chǎn)的70LC-1型永磁式直流力矩測速機組、型號為HES-10242MD脈沖編碼器、絲杠、θ5的活塞）等實現(xiàn)對伺服電機進行速度和位置控制（伺服控制結(jié)構(gòu)簡圖見圖2）。絲杠導(dǎo)程2mm，精度為0.001mm，是位移測量的基準(zhǔn)。

圖2　伺服控制結(jié)構(gòu)簡圖

速度環(huán)的反饋信號取自測速發(fā)電機，反饋環(huán)節(jié)中加入濾波是為濾除低速時的諧波。位置環(huán)中位置傳感元件——光電編碼器將產(chǎn)生的電脈沖反饋給位置板經(jīng)信號調(diào)理后給PCI-8132中的減法計數(shù)器，于是每來一個脈沖，計數(shù)器就從目標(biāo)值減去1，直到計數(shù)器的內(nèi)容為0，伺服電機轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置而停止旋轉(zhuǎn)。

恒壓控制原理：差壓式電容薄膜規(guī)、IEEE488數(shù)據(jù)采集卡、工控機、8132電機控制卡、位置/伺服控制卡、電機、導(dǎo)軌平動機構(gòu)、活塞、液壓油和波紋管共同組成了一個負(fù)反饋恒壓自動調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在流量測量過程中，參考室內(nèi)的氣體壓力不變，當(dāng)有氣體流出變?nèi)菔視r，引起變?nèi)菔业膲毫Πl(fā)生變化，在變?nèi)菔遗c參考室之間產(chǎn)生壓差△p，計算機循環(huán)檢測這一壓差信號。計算機根據(jù)壓差值△p的大小，采用預(yù)先設(shè)定的控制算法計算出相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速調(diào)整量，并輸出到位置控制卡，使電機驅(qū)動卡根據(jù)該電壓信號重新驅(qū)動伺服電機，使伺服電機的轉(zhuǎn)速得到了調(diào)整。電機驅(qū)動活塞在油室中運動，改變變?nèi)菔业娜莘e，使變?nèi)菔遗c參考室之間的差壓值△p維持在零附近，使得變?nèi)菔业膲毫基本上保持恒定。

系統(tǒng)的控制算法

本系統(tǒng)采用時間最優(yōu)（B-B控制）與積分分離PID控制的雙?？刂?a href="http://m.sdkjxy.cn/v/tag/2562/" target="_blank">算法。時間最優(yōu)控制可加快調(diào)節(jié)的作用，而PID控制則保證跟蹤精確度與穩(wěn)態(tài)誤差滿足要求。時間最優(yōu)控制模式為

式中：E1為時間最優(yōu)控制偏差門限；Rk，Yk，ek，Uk為第k次采樣時的設(shè)定值、檢測值、偏差值、計算機輸出值；Umax為計算機輸出的最大值。

積分分離式PID控制可以增強抗積分飽和功能，防止超調(diào)和振蕩。其基本思想是：當(dāng)偏差較大時，取消積分作用，只進行PD調(diào)節(jié)。只有當(dāng)偏差在某范圍內(nèi)時，才加入積分作用，進行PID調(diào)節(jié)，其控制方程可導(dǎo)出為

Kp，Ki，Kd分別為控制器的比例、積分、微分系數(shù)；E為積分作用門限值，其值需根據(jù)控制精度在調(diào)試時最后確定。

虛擬儀器的軟件設(shè)計及實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，可將不同測量內(nèi)容設(shè)計成單獨的功能模塊。由主界面程序構(gòu)成結(jié)構(gòu)框架，各子模塊分別完成一定的功能，在主界面程序或其它的子程序中調(diào)用。各功能模塊間的獨立性較強，一般都可單獨調(diào)試、修改和移植。所以整個系統(tǒng)軟件層次清晰、易于理解、便于修改、利于開發(fā)新功能。系統(tǒng)軟件由氣體壓力的數(shù)據(jù)采集模塊、溫度的數(shù)據(jù)采集模塊、活塞位移的數(shù)據(jù)采集模塊、電機驅(qū)動和轉(zhuǎn)速控制模塊、壓力補償程序模塊、測量數(shù)據(jù)的存貯和顯示模塊組成。圖3為采用LabVIEW6.1開發(fā)的氣體微流量測量虛擬儀器主界面。

圖3　氣體微流量測量虛擬儀器主界面

不確定度分析

整個儀器的不確定度由以下部分合成，現(xiàn)分別闡述。

壓力的測量不確定度

壓力由電容薄膜規(guī)測量。根據(jù)國防科工委真空計量一級站對電容薄膜規(guī)的校準(zhǔn)結(jié)果，壓力測量的不確定度為0.8%。

活塞位移和時間的測量不確定度

位移由編碼器測量。編碼器每輸出4096個脈沖，活塞前進2mm，其分辨力為0.5μm。流量測量中活塞的最大行程為36mm（對應(yīng)73728個脈沖）。將活塞移動位移設(shè)定為73728個脈沖（即36mm），測量編碼器實際輸出的脈沖數(shù)為73726。由測量結(jié)果可知，活塞位移的測量不確定度為 △L/L=（2×2）/（4096×36）=0.0027% 時間的測量直接取自工控機的時鐘，其精度為0.001.s。在測量流量時，流量的有效測量時間大于100s。這樣，時間測量的不確定度小于0.001%。

變?nèi)菔覝囟鹊臏y量不確定度

Pt100鉑電阻溫度傳感器的測量精度為0.1K，實驗室的溫度約為23℃，則溫度測量的不確定度約為0.04%。

恒壓控制效果

在參考室中充入104175Pa的N2，設(shè)置好各PID控制參數(shù)，通過小孔將流量引入雙球校準(zhǔn)系統(tǒng)，進行恒壓調(diào)節(jié)。圖4為PID調(diào)節(jié)結(jié)果。

圖4　恒壓控制效果圖

由PID調(diào)節(jié)結(jié)果中知，變?nèi)菔液蛥⒖际抑g的壓力差被控制到變?nèi)菔覊毫Φ摹?.004%之內(nèi)，加上參考室內(nèi)氣體壓力的靜態(tài)波動（約為0.005%）后，變?nèi)菔覂?nèi)氣體壓力的波動約為0.0.%。從以上的實驗結(jié)果可知，整個流量計的相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為